WO2017149614A1 - 関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システム - Google Patents

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WO2017149614A1
WO2017149614A1 PCT/JP2016/056103 JP2016056103W WO2017149614A1 WO 2017149614 A1 WO2017149614 A1 WO 2017149614A1 JP 2016056103 W JP2016056103 W JP 2016056103W WO 2017149614 A1 WO2017149614 A1 WO 2017149614A1
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WO
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ultrasonic
vibration
ultrasonic vibration
treatment
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Application number
PCT/JP2016/056103
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English (en)
French (fr)
Inventor
恭央 谷上
宏一郎 渡辺
賢二 松本
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オリンパス株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans

Definitions

  • the present invention relates to a joint ultrasonic treatment device and a joint ultrasonic treatment system.
  • an ultrasonic treatment device for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-116870, an ultrasonic treatment device capable of cutting bones and cartilage is known.
  • Such an ultrasonic treatment tool has both a function of cutting by mechanical vibration (hereinafter referred to as a hammering effect) and a function of cutting (dissolving) by frictional heat on the tissue.
  • a hammering effect a function of cutting by mechanical vibration
  • a function of cutting dissolving
  • the cartilage excision mechanism is considered to be frictional heat between the treatment tool and cartilage by ultrasonic vibration.
  • the cutting mechanism of cortical bone and cancellous bone is considered to be a hammering effect on cortical bone and cancellous bone by a treatment tool to which ultrasonic vibration is transmitted.
  • the ultrasonic treatment tool has both a cutting function based on the hammering effect and a cutting function based on frictional heat. For this reason, it is considered that the hammering effect of the ultrasonic treatment tool acts on the cortical bone and cancellous bone in the vicinity of the cartilage even when the surgeon is trying to cut the cartilage with the ultrasonic treatment tool.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic treatment tool for joints and an ultrasonic treatment system for joints that can switch the operation mode according to the treatment target in the joint.
  • a joint ultrasonic treatment device includes a treatment unit that treats a subject by ultrasonic vibration, and a first vibration element that generates a first ultrasonic vibration having a first frequency. And a first mode for generating the first ultrasonic vibration or a second mode for generating a second ultrasonic vibration having an arbitrary phase difference with respect to the first frequency and the first mode.
  • the second vibration element that generates ultrasonic vibration, the first ultrasonic vibration that is generated by the first vibration element, and the first ultrasonic vibration that is generated by the second vibration element Or it has a vibration transmission part which transmits the 3rd ultrasonic vibration which synthesize
  • FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic treatment system for joints according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an ultrasonic treatment instrument for joints according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating ultrasonic vibrations in the first mode of the joint ultrasonic treatment device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating ultrasonic vibrations in a second mode of the joint ultrasonic treatment device according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram of a treatment system 100.
  • the treatment system 100 includes a joint ultrasonic treatment tool (hereinafter referred to as a treatment tool) 1 and a control unit 2.
  • the treatment instrument 1 includes a probe 11 and a vibrator 12.
  • the probe 11 cuts a cartilage to be treated in a joint or a bone made of cortical bone and cancellous bone by a treatment unit 111 described later at the tip of the probe 11 by transmitting ultrasonic vibration.
  • Cartilage, cortical bone and cancellous bone have different components.
  • Cartilage has a high collagen content, and is known to melt at, for example, about 60 ° C to 70 ° C.
  • cortical bone and cancellous bone are hard to cartilage because of high content of lime components such as calcium and phosphoric acid.
  • Cortical bone and cancellous bone are said to have a melting point exceeding several hundred degrees Celsius.
  • cortical bone will be described as representative of cortical bone and cancellous bone, but the term “cortical bone” can be appropriately read as “at least one of cortical bone and cancellous bone”.
  • the probe 11 is an example of a vibration transmission unit that transmits ultrasonic vibration. The configuration of the probe 11 will be described later.
  • the vibrator 12 is connected to the probe 11. The vibrator 12 generates ultrasonic vibrations and transmits the ultrasonic vibrations to the probe 11. The configuration of the vibrator 12 will be described later.
  • the control unit 2 supplies a first drive signal S1 to a plurality of first piezoelectric elements 121-1 to 121-3, which will be described later, constituting the vibrator 12.
  • the control unit 2 supplies a second drive signal S2 to a plurality of second piezoelectric elements 122-1 to 122-3, which will be described later, constituting the vibrator 12.
  • the second drive signal S2 has the same first frequency as the first drive signal S1. The phase difference between the first drive signal S1 and the second drive signal S2 will be described later.
  • the control unit 2 includes a sine wave generation circuit 21, a phase shift circuit 22, an ultrasonic amplifier 23, an ultrasonic amplifier 24, a voltage / current detection circuit 25, and a controller 26.
  • the sine wave generation circuit 21 generates a reference drive signal.
  • the sine wave generation circuit 21 supplies drive signals to the phase shift circuit 22 and the ultrasonic amplifier 23, respectively.
  • the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21 to the ultrasonic amplifier 23 is referred to as a first drive signal S1.
  • the phase shift circuit 22 performs different processing on the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21 according to the operation command in the first mode or the operation command in the second mode from the controller 26.
  • the drive signal supplied from the phase shift circuit 22 to the ultrasonic amplifier 24 is referred to as a second drive signal S2.
  • the first mode is a bone cutting mode for causing the treatment portion 111 to exhibit a hammering effect and cutting cortical bone. In the first mode, not only the hammering effect on the treatment portion 111 but also frictional heat is generated between the tissue and the contacted tissue, so that the cartilage can also be cut.
  • the second mode is a cartilage dissolution mode in which the hammering effect in the treatment portion 111 is reduced as compared with the first mode, while the frictional heat is dominant as compared with the first mode.
  • the phase shift circuit 22 performs processing so as not to change the phase of the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21.
  • the phase shift circuit 22 can perform processing so as to change the phase of the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21 by a positive integer multiple of 360 °.
  • the phase shift circuit 22 can stop the process of changing the phase of the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21.
  • the phase shift circuit 22 supplies a drive signal having the same phase as the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21 to the ultrasonic amplifier 24 as the second drive signal S2. For this reason, the second drive signal S2 in the first mode is in phase with the first drive signal S1.
  • the phase shift circuit 22 performs processing so as to change the phase of the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21.
  • the phase shift circuit 22 supplies a drive signal having a phase different from the drive signal supplied from the sine wave generation circuit 21 to the ultrasonic amplifier 24 as the second drive signal S2.
  • the second drive signal S2 in the second mode has an arbitrary phase difference other than the same phase and the opposite phase with respect to the first drive signal S1.
  • the phase shift amount ⁇ by the phase shift circuit 22 may be within a range in which the second drive signal S2 does not have the same phase as the first drive signal S1 and does not have an opposite phase.
  • the phase shift amount ⁇ is preferably in a range larger than 0 ° and smaller than 180 °.
  • the phase shift circuit 22 may use a predetermined phase shift amount ⁇ .
  • the phase shift circuit 22 may change the phase shift amount ⁇ in response to a command from the controller 26 that specifies the phase shift amount.
  • the ultrasonic amplifier 23 amplifies the first drive signal S1 supplied from the sine wave generation circuit 21.
  • the ultrasonic amplifier 23 supplies the amplified first drive signal S1 to the vibrator 12.
  • the ultrasonic amplifier 24 amplifies the second drive signal S2 supplied from the phase shift circuit 22.
  • the ultrasonic amplifier 24 supplies the amplified second drive signal S2 to the vibrator 12. Note that the amplitude of the second drive signal S2 supplied to the vibrator 12 may be the same as or different from the amplitude of the first drive signal S1 supplied to the vibrator 12.
  • the voltage / current detection circuit 25 refers to the first drive signal S1 that the ultrasonic amplifier 23 supplies to the vibrator 12, and outputs the output voltage value (voltage waveform amplitude) and output current value (current waveform amplitude). And the phase between voltage and current is detected.
  • the voltage / current detection circuit 25 transmits the value of the output voltage and the value of the output current to the controller 26.
  • the voltage / current detection circuit 25 uses the second drive that the ultrasonic amplifier 24 supplies to the vibrator 12 instead of or together with the first drive signal S1 that the ultrasonic amplifier 23 supplies to the vibrator 12. You may refer to signal S2.
  • the controller 26 controls each unit in the control unit 2. For example, the controller 26 transmits either an operation command in the first mode or an operation command in the second mode to the phase shift circuit 22 based on, for example, an operation of a switch in an operation unit (not shown). In the second mode, the controller 26 preferably adjusts the phase shift amount ⁇ steplessly based on, for example, lever operation on the operation unit.
  • the controller 26 includes a PLL (Phase Locked Loop).
  • the controller 26 detects the impedance based on the value of the output voltage, the value of the output current, and the phase difference.
  • the impedance is a value obtained by combining the impedance of the treatment instrument 1 itself and the impedance caused by the treatment target in contact with the probe 11.
  • the controller 26 detects the resonance frequency with reference to the value of the output voltage, the output current, and the impedance.
  • the controller 26 adjusts the frequency of the reference drive signal generated by the sine wave generation circuit 21 in order to drive the vibrator 12 with the detected resonance frequency.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the treatment instrument 1.
  • the free end side of the probe 11 is referred to as the distal end side of the treatment instrument 1.
  • the end side of the transducer 12 opposite to the end to which the probe 11 is connected is referred to as the proximal end side of the treatment instrument 1.
  • the treatment tool 1 extends from the proximal end side to the distal end side.
  • the treatment instrument 1 defines the longitudinal axis L by the free end (tip) of the probe 11 and the end of the transducer 12 to which the probe 11 is connected.
  • the probe 11 is configured in an elongated hollow cylindrical shape or a solid rod shape extending along the longitudinal axis L.
  • the length of the probe 11 is appropriately set according to the wavelength based on the frequency of the first piezoelectric elements 121-1 to 121-3 and the second piezoelectric elements 122-1 to 122-3.
  • the antinode position A1 and the node position A2 of the ultrasonic vibration described later are not limited to one depending on the length of the probe 11, and may be plural. That is, the probe 11 only needs to be set to a length that is an integral multiple of a half wavelength based on the resonance frequency of the vibrator 12.
  • the probe 11 has a treatment portion 111 in the vicinity of the tip.
  • the treatment unit 111 is in contact with cartilage and / or cortical bone to be treated in the joint.
  • the treatment unit 111 treats the subject by ultrasonic vibration.
  • the treatment part 111 may be processed into a shape capable of cutting the treatment target.
  • the probe 11 is made of, for example, a titanium alloy such as Ti-6Al-4V.
  • the vibrator 12 generates ultrasonic vibrations that are transmitted to the probe 11.
  • the vibrator 12 is, for example, a bolted Langevin type vibrator (BLT).
  • the vibrator 12 includes a plurality of first piezoelectric elements 121-1 to 121-3, a plurality of second piezoelectric elements 122-1 to 122-3, a front mass 123 and a rear mass 124.
  • the plurality of first piezoelectric elements 121-1 to 121-3 are collectively referred to as a first piezoelectric element group (referred to as a first ultrasonic vibration generation unit or a first vibration element) 121.
  • the first piezoelectric element group 121 is an example of a first vibration generation unit that generates ultrasonic vibrations.
  • the plurality of second piezoelectric elements 122-1 to 122-3 are collectively referred to as a second piezoelectric element group (referred to as a second ultrasonic vibration generation unit or a second vibration element) 122.
  • the second piezoelectric element group 122 is an example of a second vibration generation unit that generates ultrasonic vibrations.
  • the plurality of first piezoelectric elements 121-1 to 121-3 and the plurality of second piezoelectric elements 122-1 to 122-3 are alternately stacked for each piezoelectric element.
  • the configuration of the first piezoelectric element 121-1 will be described. Note that the configuration of the first piezoelectric element 121-2 and the first piezoelectric element 121-3 is the same as the configuration of the first piezoelectric element 121-1, and thus the description thereof is omitted.
  • the first piezoelectric element 121-1 includes a first piezoelectric body 1211, a first electrode 1212, and a second electrode 1213.
  • the first piezoelectric body 1211 is made of, for example, lead zirconate titanate.
  • the first electrode 1212 is in contact with the surface on the tip side of the first piezoelectric body 1211.
  • the first electrode 1212 is connected to the first piezoelectric terminal 42 via the lead wire 41.
  • the first piezoelectric terminal 42 is a terminal for electrically connecting the first piezoelectric element 121-1 to the control unit 2.
  • the first drive signal S1 is input to the first piezoelectric terminal 42 from the ultrasonic amplifier 23 of the control unit 2.
  • the second electrode 1213 is in contact with the base end surface of the first piezoelectric body 1211-1.
  • the second electrode 1213 is connected to the ground terminal 44 through the lead wire 43.
  • the first piezoelectric element 121-1 configured as described above vibrates (longitudinal vibration) along the longitudinal axis L by the first drive signal S 1 supplied from the control unit 2.
  • the first piezoelectric element 121-2 and the first piezoelectric element 121-3 vibrate (longitudinal vibration) along the longitudinal axis L by the first drive signal S1 supplied from the control unit 2.
  • the configuration of the second piezoelectric element 122-1 will be described. Note that the configurations of the second piezoelectric element 122-2 and the second piezoelectric element 122-3 are the same as the configuration of the second piezoelectric element 122-1, and thus the description thereof is omitted.
  • the second piezoelectric element 122-1 includes a second piezoelectric body 1221, a third electrode 1222, and a fourth electrode 1223.
  • the second piezoelectric body 1221 is formed of the same material as the first piezoelectric body 1211.
  • the third electrode 1222 is in contact with the tip-side surface of the second piezoelectric body 1221.
  • the third electrode 1222 is connected to the second piezoelectric terminal 46 through the lead wire 45.
  • the second piezoelectric terminal 46 is a terminal for electrically connecting the second piezoelectric element 122-1 to the control unit 2.
  • the second drive signal S2 is input to the second piezoelectric terminal 46 from the ultrasonic amplifier 24 of the control unit 2.
  • the fourth electrode 1223 is in contact with the base end surface of the second piezoelectric body 1221.
  • the fourth electrode 1223 is connected to the ground terminal 44 through the lead wire 43.
  • the second piezoelectric element 122-1 configured as described above vibrates (longitudinal vibration) along the longitudinal axis L by the second drive signal S ⁇ b> 2 supplied from the control unit 2.
  • the second piezoelectric element 122-2 and the second piezoelectric element 122-3 vibrate (longitudinal vibration) along the longitudinal axis L by the second drive signal S2 supplied from the control unit 2.
  • the second piezoelectric element group 122 generates ultrasonic vibrations having the same characteristics as the ultrasonic vibration characteristics generated by the first piezoelectric element group 121 under the following conditions.
  • the condition is that the same drive signal is supplied to the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122.
  • the characteristics of ultrasonic vibration indicate amplitude, frequency, and phase.
  • the front mass 123 is provided on the distal end side of the vibrator 12 with respect to the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122.
  • the probe 11 is connected to the end of the front mass 123 on the front end side.
  • the front mass 123 is a horn having a diameter on the distal end side smaller than that on the proximal end side.
  • the front mass 123 amplifies the speed (product of frequency and amplitude) of ultrasonic vibration transmitted from the transducer 12 to the probe 11.
  • the front mass 123 is made of a titanium alloy such as Ti-6Al-4V.
  • the rear mass 124 is provided on the proximal end side of the vibrator 12 with respect to the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122.
  • the rear mass 124 is formed of the same material as the front mass 123.
  • the vibrator 12 configured as described above is fastened by a bolt (not shown) penetrating the inside from the front mass 123 to the rear mass 124.
  • the vibrator 12 has an electrical insulation (not shown) formed of an electrically insulating material such as a resin between the first piezoelectric elements 121-1 to 121-3 and the second piezoelectric elements 122-1 to 122-3. It has a member.
  • the electrically insulating member electrically separates the first piezoelectric elements 121-1 to 121-3 and the second piezoelectric elements 122-1 to 122-3.
  • the vibrator 12 also has an electrically insulating member between the first piezoelectric element 121-1 and the front mass 123 and between the second piezoelectric element 122-3 and the rear mass 124.
  • the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122 may generate ultrasonic vibrations having the same characteristics when the same drive signal is supplied. Therefore, each of the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122 only needs to have one or more piezoelectric elements.
  • the vibrator 12 has a longitudinal block formed by laminating the first piezoelectric elements 121-1 to 121-3 and the second piezoelectric elements 122-1 to 122-3. They may be laminated along the axis L.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing ultrasonic vibration in the first mode.
  • the controller 2 supplies the first drive signal S1 having the first frequency to the first piezoelectric element group 121.
  • the controller 2 supplies the second piezoelectric element group 122 with the second driving signal S2 having the first frequency and no phase difference with respect to the first driving signal S1.
  • the first piezoelectric element group 121 vibrates along the longitudinal axis L in response to the first drive signal S1.
  • the first piezoelectric element group 121 generates a first ultrasonic vibration having a first frequency and transmits the first ultrasonic vibration to the probe 11.
  • the first ultrasonic vibration is a standing wave in which the position A1 of the treatment portion 111 at the tip of the probe 11 becomes an antinode that moves back and forth along the longitudinal axis L, and the position A2 of the probe 11 becomes a fixed node. .
  • the second piezoelectric element group 122 vibrates along the longitudinal axis L at the same frequency and the same phase as the first piezoelectric element group 121 according to the second drive signal S2. Therefore, the second piezoelectric element group 122 also generates the first ultrasonic vibration described above and transmits the first ultrasonic vibration to the probe 11.
  • the vibrator 12 causes the first ultrasonic vibration generated by the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122.
  • the third ultrasonic vibration obtained by synthesizing the first ultrasonic vibration generated by is transmitted to the probe 11.
  • the probe 11 transmits the third ultrasonic vibration to the treatment unit 111.
  • the third ultrasonic vibration is a standing wave in which the position A1 of the treatment portion 111 at the tip of the probe 11 becomes an antinode that moves back and forth along the longitudinal axis L, and the position A2 of the probe 11 becomes a fixed node. .
  • the amplitude of the position A1 is u1.
  • the amplitude u ⁇ b> 1 is shown in a direction orthogonal to the longitudinal axis L, but this is only schematically shown, and the actual vibration direction is along the longitudinal axis L.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing ultrasonic vibration in the second mode.
  • the controller 2 supplies the first drive signal S1 having the first frequency to the first piezoelectric element group 121.
  • the control unit 2 supplies the second drive signal S2 having an arbitrary phase difference with respect to the first frequency and the first drive signal S1 to the second piezoelectric element group 122.
  • the arbitrary phase difference is a phase difference other than the same phase and the opposite phase as described above.
  • the first piezoelectric element group 121 generates a first ultrasonic vibration in response to the first drive signal S1.
  • the first ultrasonic vibration is a standing wave in which the position A1 of the probe 11 is an antinode that moves back and forth along the longitudinal axis L, and the position A2 of the probe 11 is a fixed node.
  • the second piezoelectric element group 122 vibrates along the longitudinal axis L at the same frequency and different phase as the first piezoelectric element group 121 according to the second drive signal S2.
  • the second piezoelectric element group 122 generates a second ultrasonic vibration having an arbitrary phase difference with respect to the first frequency and the first mode, and transmits the second ultrasonic vibration to the probe 11.
  • the second ultrasonic vibration has a phase different from that of the first ultrasonic vibration. Since the frequency of the second drive signal S2 is the same as the frequency of the first drive signal S1, the positions of the nodes and antinodes of the second ultrasonic vibration in the probe 11 are the first ultrasonic vibration. This is the same as the position of the node and belly. For this reason, the second ultrasonic vibration is a standing wave in which the position A1 of the probe 11 becomes an antinode that moves back and forth along the longitudinal axis L, and the position A2 of the probe 11 becomes a fixed node.
  • the vibrator 12 causes the first ultrasonic vibration generated by the first piezoelectric element group 121 and the second piezoelectric element group 122.
  • the third ultrasonic vibration obtained by synthesizing the second ultrasonic vibration generated by is transmitted to the probe 11.
  • the probe 11 transmits the third ultrasonic vibration to the treatment unit 111.
  • the third ultrasonic vibration is a standing wave in which the position A1 of the probe 11 becomes an antinode that moves back and forth along the longitudinal axis L, and the position A2 of the probe 11 becomes a fixed node.
  • the amplitude of the position A1 is u2.
  • the amplitude u ⁇ b> 2 is shown in a direction orthogonal to the longitudinal axis L, but this is only schematically shown, and the actual vibration direction is along the longitudinal axis L.
  • the phases of the first ultrasonic vibration and the second ultrasonic vibration are different in the second mode.
  • the amplitude u2 is smaller than the amplitude u1.
  • the control unit 2 adjusts the phase shift amount ⁇ within a range in which the second ultrasonic vibration is not in phase with respect to the first ultrasonic vibration and does not have an opposite phase.
  • the amplitude u2 can be adjusted steplessly.
  • the amplitude u2 can be appropriately adjusted by a signal based on the operation of the above-described operation unit connected to the control unit 2, for example.
  • the first mode shown in FIG. 3 is compared with the second mode shown in FIG.
  • the frequency of the third ultrasonic vibration is the same in the first mode and the second mode. For this reason, the hammering effect depends on the amplitude of the treatment portion 111 at the tip of the probe 11.
  • the third ultrasonic vibration has a larger amplitude than the first ultrasonic vibration, and the hammering effect is larger than the hammering effect in the second mode.
  • the amplitude u1 of the first mode in the treatment unit 111 exhibits a hammering effect sufficient and appropriate for cutting the cortical bone to be treated in the joint. For this reason, the surgeon can cut the cortical bone to be treated in the joint using the treatment tool 1 in which the first mode is set.
  • the third ultrasonic vibration has a smaller amplitude than the third ultrasonic vibration in the first mode, and the hammering effect is smaller than the hammering effect in the first mode.
  • the amplitude u2 of the second mode in the treatment unit 111 is smaller than the amplitude u1 of the first mode, the hammering effect reduced as compared with the first mode is exhibited by reducing the amplitude. For this reason, when the surgeon cuts (dissolves) the cartilage to be treated in the joint using the treatment tool 1 in which the second mode is set, it is more than in the case where the first mode is set. However, it is difficult to cut cortical bone that is not a treatment target in the vicinity of cartilage.
  • the frictional heat energy in the treatment section 111 of the probe 11 is proportional to the product of the frequency of the third ultrasonic vibration and the amplitude of the position A1.
  • the frictional heat energy of the second mode can be lower than the frictional heat energy of the first mode. Even if the frictional heat energy decreases, the operator can appropriately cut (dissolve) the cartilage by using the treatment tool 1 in which the second mode is set over time.
  • the treatment instrument 1 and the treatment system 100 have a mode having a sufficient hammering effect (first mode) or a mode for reducing the hammering effect (second mode) depending on the treatment target. It can operate in either.
  • this embodiment has the advantages described below compared to the following comparative examples.
  • a treatment system that supplies the same drive signal to all the piezoelectric elements constituting the treatment tool is used as a comparative example.
  • the ultrasonic treatment system according to the comparative example reduces the amplitude of the distal end of the treatment instrument by reducing the amplitude of the drive signal.
  • the present embodiment has an advantage with respect to the load on the power supply over the comparative example.
  • the amplitude of the drive signal is the same in both the first mode and the second mode as described above. Therefore, the impedance of the treatment instrument 1 itself is the same in both the first mode and the second mode.
  • the comparative example when the amplitude of the drive signal is reduced, the impedance of the treatment instrument itself is increased. The load on the power supply increases as the impedance increases. Therefore, this embodiment can suppress the load to a power supply rather than a comparative example.
  • the present embodiment has an advantage with respect to detection of a treatment target over the comparative example.
  • the controller 26 can detect whether the treatment unit 111 is in contact with the cortical bone or the cartilage by comparing the impedance with the threshold for cortical bone treatment and the threshold for cartilage treatment.
  • the threshold for cortical bone treatment is set to detect that the treatment unit 111 is in contact with the cortical bone.
  • the threshold value for cortical bone treatment is based on a value obtained by combining the impedance of the treatment instrument 1 itself and the impedance caused by the cortical bone to be treated.
  • the threshold for cartilage treatment is set to detect that the treatment unit 111 is in contact with cartilage.
  • the threshold for cartilage treatment is based on a value obtained by combining the impedance of the treatment tool 1 itself and the impedance caused by the cartilage to be treated.
  • the impedance of the treatment instrument 1 itself is the same value in both the first mode and the second mode.
  • the impedance resulting from the treatment target is a value that varies depending on the treatment target. Since the value of impedance caused by cortical bone and the value of impedance caused by cartilage are different, it is easy to exclusively set the threshold for cortical bone treatment and the threshold for cartilage treatment. Therefore, the treatment system 100 can easily detect whether the treatment unit 111 is in contact with either cartilage or cortical bone using impedance.
  • the controller 26 may transmit either the operation command in the first mode or the operation command in the second mode to the phase shift circuit 22 based on the detection result of the treatment target. For example, the controller 26 transmits an operation command in the first mode to the phase shift circuit 22 based on the detection that the treatment unit 111 is in contact with the cortical bone. The controller 26 transmits an operation command in the second mode to the phase shift circuit 22 based on the detection that the treatment unit 111 is in contact with the cartilage. Thereby, the control unit 2 switches the operation mode to one of the first mode and the second mode.
  • the impedance of the treatment instrument itself is a value that changes according to the amplitude of the drive signal.
  • the impedance resulting from the treatment target is also a value that varies depending on the treatment target.
  • two variable values must be considered. Therefore, it is difficult to set exclusively the threshold for cartilage treatment and the threshold for cortical bone treatment. Therefore, it is difficult for the treatment system of the comparative example to detect whether the treatment portion is in contact with cartilage or cortical bone. Therefore, this embodiment can detect a treatment target more easily than a comparative example.
  • second piezoelectric element group 122-1 to 122 -3: second piezoelectric element, 123: front mass, 124 ... rear mass, 1211 ... first piezoelectric body, 1212 ... first electrode, 1213 ... second electrode, 1221 ... second piezoelectric body, 1222 ... 3rd electrode, 1223 ... 4th electricity .

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Abstract

関節用超音波処置具は、超音波振動することで被検体を処置する処置部と、第１の周波数を有する第１の超音波振動を発生させる第１の振動素子と、前記第１の超音波振動を発生させる第１のモードあるいは前記第１の周波数及び前記第１のモードに対して任意の位相差を有する第２の超音波振動を発生させる第２のモードの一方で超音波振動を発生させる第２の振動素子と、前記第１の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動と、前記第２の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動あるいは前記第２の超音波振動の一方とを合成した第３の超音波振動を前記処置部へ伝達する振動伝達部と、を有する。

Description

関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システム
　この発明は、関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システムに関する。
　超音波処置具として、例えば特開２００３－１１６８７０号公報に開示されているように、骨や軟骨を切削することができる超音波処置具が知られている。このような超音波処置具は、機械的な振動による切削（以下、ハンマリング効果という）の機能と、組織に対する摩擦熱による切削（溶解）の機能を併せ持つ。　
　近年、超音波処置具を関節の処置に用いることが検討されている。関節は、軟骨と、皮質骨及び海綿骨から成る骨を有する。超音波処置具は、軟骨だけでなく、皮質骨及び海綿骨の処置にも用いられる。
　軟骨の切除機序と皮質骨及び海綿骨の切削機序は、軟骨と皮質骨及び海綿骨の性質の相違に起因して、相違していることがわかってきている。軟骨の切除機序は、超音波振動による処置具と軟骨との間の摩擦熱であると考えられている。他方、皮質骨及び海綿骨の切削機序は、超音波振動が伝達されている処置具による皮質骨及び海綿骨へのハンマリング効果であると考えられている。上述したように、超音波処置具は、ハンマリング効果による切削の機能と摩擦熱による切削の機能とを併せ持つ。このため、術者が超音波処置具で軟骨を切削しようとしているときにも、超音波処置具のハンマリング効果が軟骨近傍の皮質骨及び海綿骨に作用することが考えられる。
　皮質骨及び海綿骨を切削することなく軟骨だけを切削することを術者の手技に頼ることは難しい。超音波処置具が関節内の軟骨の切削に用いられる場合、超音波処置具は、皮質骨及び海綿骨の切削を防止するために、ハンマリング効果を低減する必要がある。
　この発明は、関節内の処置対象に応じて動作モードを切り替え可能な関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システムを提供することを目的とする。
　この発明の一態様に係る関節用超音波処置具は、超音波振動することで被検体を処置する処置部と、第１の周波数を有する第１の超音波振動を発生させる第１の振動素子と、前記第１の超音波振動を発生させる第１のモードあるいは前記第１の周波数及び前記第１のモードに対して任意の位相差を有する第２の超音波振動を発生させる第２のモードの一方で超音波振動を発生させる第２の振動素子と、前記第１の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動と、前記第２の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動あるいは前記第２の超音波振動の一方とを合成した第３の超音波振動を前記処置部へ伝達する振動伝達部と、を有する。
図１は、一実施形態に係る関節用超音波処置システムのブロック図である。 図２は、一実施形態に係る関節用超音波処置具を示す模式図である。 図３は、一実施形態に係る関節用超音波処置具の第１のモードにおける超音波振動を示す模式図である。 図４は、一実施形態に係る関節用超音波処置具の第２のモードにおける超音波振動を示す模式図である。
　以下、図面を参照しながらこの発明を実施するための一実施形態について説明する。　
　関節用超音波処置システム（以下、処置システムという）について説明する。　
　図１は、処置システム１００のブロック図である。　
　処置システム１００は、関節用超音波処置具（以下、処置具という）１及び制御部２を有する。　
　処置具１は、プローブ１１及び振動子１２を有する。
　プローブ１１は、超音波振動の伝達により、その先端の後述の処置部１１１で、関節における処置対象となる軟骨、または、皮質骨及び海綿骨から成る骨を切削する。軟骨と、皮質骨及び海綿骨とは成分が相違している。軟骨はコラーゲンの含有量が多く、例えば６０℃から７０℃程度で溶融することがわかっている。他方、皮質骨及び海綿骨は例えばカルシウムやリン酸等の石灰成分の含有量が多いため、軟骨に対して硬い。また、皮質骨及び海綿骨は、融点が数１００℃を超えるとされている。以下、皮質骨及び海綿骨を代表して皮質骨について説明するが、「皮質骨」の用語は、「皮質骨及び海綿骨のうちの少なくとも何れか一方」と適宜読み替えることができるものとする。　
　プローブ１１は、超音波振動を伝達する振動伝達部の一例である。プローブ１１の構成については後述する。　
　振動子１２は、プローブ１１に接続されている。振動子１２は、超音波振動を発生させ、超音波振動をプローブ１１に伝達する。振動子１２の構成については後述する。
　制御部２は、振動子１２を構成する後述の複数の第１の圧電素子１２１－１～１２１－３に第１の駆動信号Ｓ１を供給する。制御部２は、振動子１２を構成する後述の複数の第２の圧電素子１２２－１～１２２－３に第２の駆動信号Ｓ２を供給する。第２の駆動信号Ｓ２は、第１の駆動信号Ｓ１と同じ第１の周波数である。第１の駆動信号Ｓ１と第２の駆動信号Ｓ２との位相差については後述する。
　制御部２は、正弦波生成回路２１、位相シフト回路２２、超音波アンプ２３、超音波アンプ２４、電圧電流検知回路２５及びコントローラ２６を有する。　
　正弦波生成回路２１は、基準となる駆動信号を生成する。正弦波生成回路２１は、位相シフト回路２２及び超音波アンプ２３それぞれに駆動信号を供給する。正弦波生成回路２１から超音波アンプ２３に供給される駆動信号を第１の駆動信号Ｓ１という。
　位相シフト回路２２は、コントローラ２６からの第１のモードでの動作命令または第２のモードでの動作命令に応じて、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号に対して異なる処理を行う。位相シフト回路２２から超音波アンプ２４に供給される駆動信号を第２の駆動信号Ｓ２という。　
　第１のモードは、処置部１１１にハンマリング効果を発揮させて皮質骨を切削するための骨切削モードである。第１のモードは、処置部１１１にハンマリング効果だけでなく、接触した組織との間に摩擦熱を生じるため、軟骨も切削可能である。　
　第２のモードは、第１のモードと比べて処置部１１１におけるハンマリング効果を低減させる一方、第１のモードと比べて摩擦熱優位となる軟骨溶解モードである。
　第１のモードの場合には、位相シフト回路２２は、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号の位相を変化させないように処理する。例えば、位相シフト回路２２は、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号の位相を３６０°の正の整数倍だけ変化させるように処理することができる。例えば、位相シフト回路２２は、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号の位相を変化させる処理を停止することもできる。その後、位相シフト回路２２は、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号と同位相の駆動信号を第２の駆動信号Ｓ２として超音波アンプ２４に供給する。このため、第１のモードにおける第２の駆動信号Ｓ２は、第１の駆動信号Ｓ１に対して同位相である。
　第２のモードの場合には、位相シフト回路２２は、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号の位相を変化させるように処理する。位相シフト回路２２は、正弦波生成回路２１から供給される駆動信号と異なる位相の駆動信号を第２の駆動信号Ｓ２として超音波アンプ２４に供給する。このため、第２のモードにおける第２の駆動信号Ｓ２は、第１の駆動信号Ｓ１に対して、同位相及び逆位相以外の任意の位相差を有する。　　
　なお、位相シフト回路２２による位相シフト量φは、第２の駆動信号Ｓ２が第１の駆動信号Ｓ１に対して同位相とならず、逆位相ともならない範囲内であればよい。位相シフト量φは、好ましくは０°よりも大きく１８０°よりも小さい範囲内にある。位相シフト回路２２は、予め定められている位相シフト量φを用いてもよい。位相シフト回路２２は、コントローラ２６からの位相シフト量を指定する命令に応じて位相シフト量φを変更してもよい。
　超音波アンプ２３は、正弦波生成回路２１から供給される第１の駆動信号Ｓ１を増幅する。超音波アンプ２３は、増幅した第１の駆動信号Ｓ１を振動子１２に供給する。　
　超音波アンプ２４は、位相シフト回路２２から供給される第２の駆動信号Ｓ２を増幅する。超音波アンプ２４は、増幅した第２の駆動信号Ｓ２を振動子１２に供給する。なお、振動子１２に供給される第２の駆動信号Ｓ２の振幅は、振動子１２に供給される第１の駆動信号Ｓ１の振幅と同じであっても、異なっていてもよい。
　電圧電流検知回路２５は、超音波アンプ２３が振動子１２に供給する第１の駆動信号Ｓ１を参照して、出力電圧の値（電圧波形の振幅）、出力電流の値（電流波形の振幅）及び電圧－電流間の位相を検知する。電圧電流検知回路２５は、出力電圧の値及び出力電流の値をコントローラ２６に送信する。なお、電圧電流検知回路２５は、超音波アンプ２３が振動子１２に供給する第１の駆動信号Ｓ１に代えて、または、これと共に、超音波アンプ２４が振動子１２に供給する第２の駆動信号Ｓ２を参照してもよい。
　コントローラ２６は、制御部２内の各部を制御する。例えば、コントローラ２６は、図示しない操作部での、例えばスイッチの操作に基づいて、第１のモードでの動作命令または第２のモードでの動作命令の何れかを位相シフト回路２２に送信する。また、第２モードにおいて、コントローラ２６は、操作部での例えばレバーの操作に基づいて、位相シフト量φを好ましくは無段階に調整する。　
　また、コントローラ２６は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）を含む。コントローラ２６は、出力電圧の値、出力電流の値及び位相差に基づいてインピーダンスを検出する。なお、インピーダンスは、処置具１自体のインピーダンスと、プローブ１１と接している処置対象に起因するインピーダンスを合わせた値である。コントローラ２６は、出力電圧の値、出力電流及びインピーダンスを参照して、共振周波数を検知する。コントローラ２６は、検知した共振周波数で振動子１２を駆動するために、正弦波生成回路２１が生成する基準となる駆動信号の周波数を調整する。
　次に、処置具１について説明する。　
　図２は、処置具１を示す模式図である。　
　プローブ１１の自由端側を処置具１の先端側という。振動子１２においてプローブ１１が接続されている端部とは反対の端部側を処置具１の基端側という。処置具１は基端側から先端側にかけて延在する。処置具１は、プローブ１１の自由端（先端）と、振動子１２においてプローブ１１が接続されている端部とにより長手軸Ｌを規定する。
　プローブ１１は、長手軸Ｌに沿って延在する細長い中空の筒形状又は中実のロッド形状に構成されている。プローブ１１の長さは、第１の圧電素子１２１－１～１２１－３及び第２の圧電素子１２２－１～１２２－３の周波数に基づく波長により適宜に設定される。なお、後述の超音波振動の腹の位置Ａ１及び節の位置Ａ２は、プローブ１１の長さによっては１つに限られず、それぞれ複数となることもあり得る。すなわち、プローブ１１は、振動子１２の共振周波数に基づく半波長の整数倍の長さに設定されていれば良い。
　プローブ１１は、先端近傍に処置部１１１を有する。処置部１１１は、関節における処置対象となる軟骨及び／または皮質骨と接する。処置部１１１は、超音波振動することで被検体を処置する。なお、処置部１１１は、処置対象を切削可能な形状に加工されていてもよい。プローブ１１は、例えばＴｉ－６Ａｌ－４Ｖなどのチタン合金で形成されている。
　振動子１２は、プローブ１１に伝達する超音波振動を発生させる。振動子１２は、例えばボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ）である。振動子１２は、複数の第１の圧電素子１２１－１～１２１－３、複数の第２の圧電素子１２２－１～１２２－３、フロントマス１２３及びリアマス１２４を有する。なお、複数の第１の圧電素子１２１－１～１２１－３をまとめて第１の圧電素子群（第１の超音波振動生成部または第１の振動素子という）１２１という。第１の圧電素子群１２１は、超音波振動を発生させる第１の振動生成部の一例である。複数の第２の圧電素子１２２－１～１２２－３をまとめて第２の圧電素子群（第２の超音波振動生成部または第２の振動素子という）１２２という。第２の圧電素子群１２２は、超音波振動を発生させる第２の振動生成部の一例である。　
　複数の第１の圧電素子１２１－１～１２１－３及び複数の第２の圧電素子１２２－１～１２２－３は、１つの圧電素子毎に互い違いに積層されている。
　第１の圧電素子１２１－１の構成について説明する。なお、第１の圧電素子１２１－２及び第１の圧電素子１２１－３の構成は第１の圧電素子１２１－１の構成と同様であるので、その説明を省略する。　
　第１の圧電素子１２１－１は、第１の圧電体１２１１、第１の電極１２１２及び第２の電極１２１３を有する。　
　第１の圧電体１２１１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛で形成されている。　
　第１の電極１２１２は、第１の圧電体１２１１の先端側の面と接する。第１の電極１２１２は、リード線４１を介して第１の圧電体用端子４２に接続されている。第１の圧電体用端子４２は、第１の圧電素子１２１－１を制御部２に電気的に接続する端子である。第１の圧電体用端子４２は、制御部２の超音波アンプ２３から第１の駆動信号Ｓ１が入力される。　
　第２の電極１２１３は、第１の圧電体１２１１－１の基端側の面と接する。第２の電極１２１３は、リード線４３を介して接地端子４４に接続されている。
　上述のように構成されている第１の圧電素子１２１－１は、制御部２から供給される第１の駆動信号Ｓ１により長手軸Ｌに沿って振動（縦振動）する。同様に、第１の圧電素子１２１－２及び第１の圧電素子１２１－３は、制御部２から供給される第１の駆動信号Ｓ１により長手軸Ｌに沿って振動（縦振動）する。
　第２の圧電素子１２２－１の構成について説明する。なお、第２の圧電素子１２２－２及び第２の圧電素子１２２－３の構成は第２の圧電素子１２２－１の構成と同様であるので、その説明を省略する。　
　第２の圧電素子１２２－１は、第２の圧電体１２２１、第３の電極１２２２及び第４の電極１２２３を有する。　
　第２の圧電体１２２１は、第１の圧電体１２１１と同様の材料で形成されている。　
　第３の電極１２２２は、第２の圧電体１２２１の先端側の面と接する。第３の電極１２２２は、リード線４５を介して第２の圧電体用端子４６に接続されている。第２の圧電体用端子４６は、第２の圧電素子１２２－１を制御部２に電気的に接続する端子である。第２の圧電体用端子４６は、制御部２の超音波アンプ２４から第２の駆動信号Ｓ２が入力される。　
　第４の電極１２２３は、第２の圧電体１２２１の基端側の面と接する。第４の電極１２２３は、リード線４３を介して接地端子４４に接続されている。
　上述のように構成されている第２の圧電素子１２２－１は、制御部２から供給される第２の駆動信号Ｓ２により長手軸Ｌに沿って振動（縦振動）する。同様に、第２の圧電素子１２２－２及び第２の圧電素子１２２－３は、制御部２から供給される第２の駆動信号Ｓ２により長手軸Ｌに沿って振動（縦振動）する。　
　さらに、第２の圧電素子群１２２は、以下の条件のときに、第１の圧電素子群１２１が発生させる超音波振動の特性と同じ特性の超音波振動を発生させる。条件は、第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２に同じ駆動信号が供給されることである。なお、超音波振動の特性は、振幅、周波数及び位相を指す。
　フロントマス１２３は、第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２よりも振動子１２の先端側に設けられている。フロントマス１２３の先端側の端部には、プローブ１１が接続されている。フロントマス１２３は、基端側の端面の径よりも先端側の端面の径が小さいホーンである。フロントマス１２３は、振動子１２がプローブ１１に伝達する超音波振動の速度（周波数と振幅の積）を増幅する。フロントマス１２３は、例えばＴｉ－６Ａｌ－４Ｖなどのチタン合金で形成されている。　
　リアマス１２４は、第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２よりも振動子１２の基端側に設けられている。リアマス１２４は、フロントマス１２３と同様の材料で形成されている。
　上述のように構成されている振動子１２は、フロントマス１２３からリアマス１２４にかけて内部を貫通する図示しないボルトによって締められている。振動子１２は、第１の圧電素子１２１－１～１２１－３と第２の圧電素子１２２－１～１２２－３の間に、樹脂などの電気的絶縁材料で形成された図示しない電気的絶縁部材を有する。電気的絶縁部材は、第１の圧電素子１２１－１～１２１～３と第２の圧電素子１２２－１～１２２－３を電気的に分離する。同様に、振動子１２は、第１の圧電素子１２１－１とフロントマス１２３の間、及び、第２の圧電素子１２２－３とリアマス１２４の間にも電気的絶縁部材を有する。
　なお、第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２は、上述のように、同じ駆動信号が供給された時に同じ特性の超音波振動を発生させればよい。そのため、第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２は、それぞれ１以上の圧電素子を有していればよい。また、振動子１２は、第１の圧電素子１２１－１～１２１－３を積層して構成されるブロックと第２の圧電素子１２２－１～１２２－３を積層して構成されるブロックを長手軸Ｌに沿って積層して有していてもよい。
　次に、第１のモードにおいて、振動子１２からプローブ１１に伝達される超音波振動について説明する。　
　図３は、第１のモードにおける超音波振動を示す模式図である。　
　制御部２は、第１の周波数の第１の駆動信号Ｓ１を第１の圧電素子群１２１に供給する。制御部２は、第１の周波数かつ第１の駆動信号Ｓ１に対して位相差のない第２の駆動信号Ｓ２を第２の圧電素子群１２２に供給する。
　第１の圧電素子群１２１は、第１の駆動信号Ｓ１に応じて長手軸Ｌに沿って振動する。第１の圧電素子群１２１は、第１の周波数を有する第１の超音波振動を発生させ、第１の超音波振動をプローブ１１に伝達する。第１の超音波振動は、プローブ１１の先端の処置部１１１の位置Ａ１が長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹となり、プローブ１１の位置Ａ２が固定された節となる定在波である。
　第２の圧電素子群１２２は、第２の駆動信号Ｓ２に応じて第１の圧電素子群１２１と同じ周波数、及び、同じ位相で長手軸Ｌに沿って振動する。このため、第２の圧電素子群１２２も、上述の第１の超音波振動を発生させ、第１の超音波振動をプローブ１１に伝達する。
　上述の第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２の作用により、振動子１２は、第１の圧電素子群１２１が発生させる第１の超音波振動と第２の圧電素子群１２２が発生させる第１の超音波振動を合成した第３の超音波振動をプローブ１１に伝達する。プローブ１１は、第３の超音波振動を処置部１１１へ伝達する。第３の超音波振動は、プローブ１１の先端の処置部１１１の位置Ａ１が長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹となり、プローブ１１の位置Ａ２が固定された節となる定在波である。位置Ａ１の振幅をｕ１とする。このときの第１の圧電素子群１２１の振動と第２の圧電素子群１２２の振動による位相差はなく、０°である。　
　なお、図３中では、振幅ｕ１を長手軸Ｌに直交する方向に示しているが、これは模式的に示しているだけであり、実際の振動方向は長手軸Ｌに沿っている。
　次に、第２のモードにおいて、振動子１２からプローブ１１に伝達される超音波振動について説明する。　
　図４は、第２のモードにおける超音波振動を示す模式図である。　
　制御部２は、第１の周波数の第１の駆動信号Ｓ１を第１の圧電素子群１２１に供給する。制御部２は、第１の周波数かつ第１の駆動信号Ｓ１に対して任意の位相差を有する第２の駆動信号Ｓ２を第２の圧電素子群１２２に供給する。任意の位相差は、上述のように同位相及び逆位相以外の位相差である。
　第１の圧電素子群１２１は、第１の駆動信号Ｓ１に応じて第１の超音波振動を発生させる。上述のように、第１の超音波振動は、プローブ１１の位置Ａ１が長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹となり、プローブ１１の位置Ａ２が固定された節となる定在波である。　
　第２の圧電素子群１２２は、第２の駆動信号Ｓ２に応じて第１の圧電素子群１２１と同じ周波数、及び、異なる位相で長手軸Ｌに沿って振動する。第２の圧電素子群１２２は、第１の周波数及び第１のモードに対して任意の位相差を有する第２の超音波振動を発生させ、第２の超音波振動をプローブ１１に伝達する。第２の超音波振動は、第１の超音波振動に対して異なる位相である。第２の駆動信号Ｓ２の周波数は第１の駆動信号Ｓ１の周波数と同じ第１の周波数であるので、プローブ１１における第２の超音波振動の節及び腹の位置は、第１の超音波振動の節及び腹の位置と同じである。このため、第２の超音波振動は、プローブ１１の位置Ａ１が長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹となり、プローブ１１の位置Ａ２が固定された節となる定在波である。
　上述の第１の圧電素子群１２１及び第２の圧電素子群１２２の作用により、振動子１２は、第１の圧電素子群１２１が発生させる第１の超音波振動と第２の圧電素子群１２２が発生させる第２の超音波振動を合成した第３の超音波振動をプローブ１１に伝達する。プローブ１１は、第３の超音波振動を処置部１１１へ伝達する。第３の超音波振動は、プローブ１１の位置Ａ１が長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹となり、プローブ１１の位置Ａ２が固定された節となる定在波である。位置Ａ１の振幅をｕ２とする。　
　なお、図４中では、振幅ｕ２を長手軸Ｌに直交する方向に示しているが、これは模式的に示しているだけであり、実際の振動方向は長手軸Ｌに沿っている。
　上述のように第２のモードでは第１の超音波振動と第２の超音波振動の位相は異なる。このため、振幅ｕ２は振幅ｕ１よりも小さくなる。制御部２は、位相シフト量φを第２の超音波振動が第１の超音波振動に対して同位相とならず、逆位相ともならない範囲内で調整することで、プローブ１１の位置Ａ１の振幅ｕ２を無段階に調整することができる。振幅ｕ２は、例えば、制御部２に接続された上述した操作部の操作に基づく信号により、適宜に調整され得る。
　図３に示す第１のモードと図４に示す第２のモードを比較する。　
　第３の超音波振動の周波数は第１のモードと第２のモードで同じである。このため、ハンマリング効果はプローブ１１の先端の処置部１１１における振幅の大きさに依る。
　第１のモードでは、第３の超音波振動が第１の超音波振動よりも振幅が大きく、ハンマリング効果が第２のモードにおけるハンマリング効果よりも大きい。処置部１１１における第１のモードの振幅ｕ１は、関節内の処置対象となる皮質骨を切削するのに十分かつ適切なハンマリング効果を発揮する。このため、術者は、第１のモードが設定されている処置具１を用いて、関節内の処置対象となる皮質骨を切削することができる。　
　他方、第２のモードでは、第３の超音波振動が第１のモードにおける第３の超音波振動よりも振幅が小さく、ハンマリング効果が第１のモードにおけるハンマリング効果よりも小さい。処置部１１１における第２のモードの振幅ｕ２は、第１のモードの振幅ｕ１よりも小さいため、このような振幅の低減により、第１のモードよりも低減されたハンマリング効果を発揮する。このため、術者は、第２のモードが設定されている処置具１を用いて関節内の処置対象となる軟骨を切削（溶解）する際に、第１のモードが設定されている場合よりも、軟骨近傍の処置対象外の皮質骨を切削し難くなる。
　なお、プローブ１１の処置部１１１における摩擦熱エネルギーは、第３の超音波振動の周波数と位置Ａ１の振幅の積に比例する。第２のモードの摩擦熱エネルギーは、第１のモードの摩擦熱エネルギーよりも下がることもあり得る。摩擦熱エネルギーが下がったとしても、術者は、時間をかけることで、第２のモードが設定されている処置具１を用いて軟骨を適切に切削（溶解）することができる。
　本実施形態によれば、処置具１及び処置システム１００は、処置対象に応じて、十分なハンマリング効果を有するモード（第１のモード）またはハンマリング効果を低減させるモード（第２のモード）の何れかで動作することができる。
　さらに、本実施形態は、以下の比較例と比較して、以下で説明する利点を有する。ここでは、処置具を構成する全ての圧電素子に同一の駆動信号を供給する処置システムを比較例とする。比較例に係る超音波処置システムは、駆動信号の振幅を小さくすることで、処置具の先端の振幅を小さくするものとする。
　１つ目として、本実施形態は、比較例よりも電源への負荷に関して利点を有する。　
　本実施形態では、駆動信号の振幅は、上述のように第１のモードと第２のモードの何れでも同じである。そのため、処置具１自体のインピーダンスは、第１のモードと第２のモードの何れでも同じである。　
　他方、比較例では、駆動信号の振幅が小さくなると、処置具自体のインピーダンスは大きくなる。　
　電源への負荷は、インピーダンスが大きくなるにつれて大きくなる。よって、本実施形態は、比較例よりも電源への負荷を抑えることができる。
　２つ目として、本実施形態は、比較例よりも処置対象の検知に関して利点を有する。　
　本実施形態では、コントローラ２６は、インピーダンスを皮質骨処置用の閾値及び軟骨処置用の閾値と比較し、処置部１１１が皮質骨または軟骨の何れと接しているのかを検知することができる。　
　皮質骨処置用の閾値は、処置部１１１が皮質骨と接していることを検知するために設定されている。皮質骨処置用の閾値は、処置具１自体のインピーダンスと、処置対象である皮質骨に起因するインピーダンスを合わせた値に基づいている。　
　軟骨処置用の閾値は、処置部１１１が軟骨と接していることを検知するために設定されている。軟骨処置用の閾値は、処置具１自体のインピーダンスと、処置対象である軟骨に起因するインピーダンスを合わせた値に基づいている。
　処置具１自体のインピーダンスは、第１のモードと第２のモードの何れでも同じ値である。処置対象に起因するインピーダンスは、処置対象に応じて変化する値である。皮質骨に起因するインピーダンスの値と軟骨に起因するインピーダンスの値は異なるので、皮質骨処置用の閾値及び軟骨処置用の閾値を排他的に設定することは容易である。　
　したがって、処置システム１００は、処置部１１１が軟骨または皮質骨の何れと接しているのかをインピーダンスを用いて容易に検知することができる。
　コントローラ２６は、処置対象の検知結果に基づいて、第１のモードでの動作命令または第２のモードでの動作命令の何れかを位相シフト回路２２に送信するようにしてもよい。例えば、コントローラ２６は、処置部１１１が皮質骨と接していることの検知に基づいて第１のモードでの動作命令を位相シフト回路２２に送信する。コントローラ２６は、処置部１１１が軟骨と接していることの検知に基づいて第２のモードでの動作命令を位相シフト回路２２に送信する。これにより、制御部２は、動作モードを第１のモードあるいは第２のモードの一方に切り替える。
　他方、比較例では、処置具自体のインピーダンスは、駆動信号の振幅に応じて変化する値である。処置対象に起因するインピーダンスも処置対象に応じて変化する値である。軟骨処置用の閾値及び皮質骨処置用の閾値を設定するためには、２つの変化する値を考慮して設定しなければならない。そのため、軟骨処置用の閾値及び皮質骨処置用の閾値を排他的に設定することは難しい。したがって、比較例の処置システムは、処置部が軟骨または皮質骨の何れと接しているのかを検知することは難しい。　
　よって、本実施形態は、比較例よりも容易に処置対象を検知することができる。
　これまで、一実施形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
　１…関節用超音波処置具、２…制御部、１１…プローブ、１２…振動子、２１…正弦波生成回路、２２…位相シフト回路、２３…超音波アンプ、２４…超音波アンプ、２５…電圧電流検知回路、２６…コントローラ、４１…リード線、４２…第１の圧電体用端子、４３…リード線、４４…接地端子、４５…リード線、４６…第２の圧電体用端子、１００…関節用超音波処置システム、１１１…処置部、１２１…第１の圧電素子群、１２１－１～１２１－３…第１の圧電素子、１２２…第２の圧電素子群、１２２－１～１２２－３…第２の圧電素子、１２３…フロントマス、１２４…リアマス、１２１１…第１の圧電体、１２１２…第１の電極、１２１３…第２の電極、１２２１…第２の圧電体、１２２２…第３の電極、１２２３…第４の電極。

Claims (3)

  1. 　超音波振動することで被検体を処置する処置部と、
    　第１の周波数を有する第１の超音波振動を発生させる第１の振動素子と、
    　前記第１の超音波振動を発生させる第１のモードあるいは前記第１の周波数及び前記第１のモードに対して任意の位相差を有する第２の超音波振動を発生させる第２のモードの一方で超音波振動を発生させる第２の振動素子と、
    　前記第１の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動と、前記第２の超音波振動生成部が発生させる前記第１の超音波振動あるいは前記第２の超音波振動の一方とを合成した第３の超音波振動を前記処置部へ伝達する振動伝達部と、
    　を有する関節用超音波処置具。
  2. 　前記第１のモードは前記第３の超音波振動が前記第１の超音波振動よりも振幅が大きく、ハンマリング効果の大きい骨切削モードであり、
    　前記第２のモードは前記第３の超音波振動が前記第１のモードにおける前記第３の超音波振動よりも振幅が小さく、ハンマリング効果が前記第１のモードにおけるハンマリング効果よりも小さい軟骨溶解モードである、請求項１に記載の関節用超音波処置具。
  3. 　超音波振動することで被検体を処置する処置部と、
    　第１の周波数を有する第１の超音波振動を発生させる第１の振動素子と、
    　前記第１の超音波振動を発生させる第１のモードあるいは前記第１の周波数及び前記第１のモードに対して任意の位相差を有する第２の超音波振動を発生させる第２のモードの一方で超音波振動を発生させる第２の振動素子と、
    　前記第１の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動と、前記第２の振動素子が発生させる前記第１の超音波振動あるいは前記第２の超音波振動の一方とを合成した第３の超音波振動を前記処置部へ伝達する振動伝達部と、
    　　前記第１のモードにおいて、前記第１の周波数の第１の駆動信号を前記第１の振動素子に供給し、前記第１の周波数かつ前記第１の駆動信号に対して位相差のない第２の駆動信号を及び前記第２の振動素子に供給し、
    　　前記第２のモードにおいて、前記第１の周波数の前記第１の駆動信号を前記第１の振動素子に供給し、前記第１の周波数かつ前記第１の駆動信号に対して任意の位相差を有する前記第２の駆動信号を前記第２の振動素子に供給する制御部と、
    　を有する関節用超音波処置システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07184913A (ja) * 1993-12-27 1995-07-25 Olympus Optical Co Ltd 超音波処置具
JP2001057983A (ja) * 1999-08-23 2001-03-06 Olympus Optical Co Ltd 超音波処置具
US20120293044A1 (en) * 2008-02-22 2012-11-22 Piezo-Innovations Ultrasonic torsional mode and longitudinal-torsional mode transducer

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